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Physique nucléaire

De
264 pages
Cet ouvrage s'adresse aux étudiants désirant s'initier rapidement à la physique nucléaire. C'est une discipline dont les applications touchent tous les domaines : médecine, Sciences de la Vie, sciences de la Terre, Sciences de l'Ingénieur... L'ouvrage rappelle les principes de base ainsi que les principales applications. Des encadrés techniques présentent les instruments. En fin de chapitre, des exercices corrigés permettent de se préparer aux examens.
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AVANT-PROPOS
La radioactivité a été découverte il y a un peu plus d’un siècle et nombreuses sont les applications utilisant aujourd’hui ce phénomène. Cela va de la fabrication d’électricité avec des réacteurs nucléaires (78 % de l’électricité française) aux applications médi cales d’imagerie, comme la tomographie par émission positrons, ou les sources de curiethérapie permettant de détruire les cellules cancéreuses. La dimension du noyau atomique est environ 100 000 fois inférieure à celle de l’atome – qui est essentiellement constitué de vide – mais il contient la majeure partie de la masse de ce dernier. Ces faibles dimensions et le petit nombre de nucléons qu’il contient rendent le problème très ardu à traiter du point de vue théorique. On est en face d’un problème à Ncorps quantique dans toute sa complexité. La physique du noyau est un domaine très riche mais difficile. En plus des modèles propres à la physique nucléaire, la caractéristique de cette discipline est d’emprunter, et d’améliorer, de nombreux concepts venant d’autres domaines de la physique. Chacun des modèles reproduit une des facettes du sujet mais reste malheureusement impuissant à reproduire les autres. On est donc encore loin d’une théorie générale permettant de décrire l’ensemble des phénomènes nucléaires observés et surtout de faire des prédictions quantitatives. La complexité de la physique nucléaire a au moins un avantage en termes de formation. Elle permet d’acquérir des méthodes expérimentales et théoriques qui peuvent être utilisées dans de nombreux domaines de la physique. C’est une expérience unique et un atout important car elle permet de changer plus facilement de domaine. C’est une formation complète et riche où le physicien a l’habitude de se poser des questions, de travailler en équipe, de résoudre de multiples problèmes et de gérer des projets. Dans ce livre, qui est une courte introduction sur le sujet, nous avons choisi de couvrir un grand nombre de domaines de la physique du noyau plutôt que de nous spécialiser sur l’un d’entreeux. La contrepartie, compte tenu du volume limité de l’ouvrage, est que chaque sujet est traité de manière introductive et beaucoup d’aspects ne sont pas abordés. La raison de ce choix est qu’il y a une multitude d’applications de la physique nucléaire et qu’un nombre de plus en plus important de personnes auront à travailler dans ces domaines. Il n’est pas forcément nécessaire pour elles d’avoir une connaissance approfondie de la structure nucléaire et des réactions nucléaires mais quelques notions sur le sujet sont indispensables. Ce livre n’est donc pas destiné aux spécialistes de chacun des domaines abordés mais à tous ceux, étudiants, élèves des grandes écoles, ingénieurs, chercheurs, tech niciens, etc. qui ont ou auront besoin d’avoir des notions de physique nucléaire pour leurs activités professionnelles. Il est aussi destiné à ceux qui veulent satisfaire leur
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Avant-propos
curiosité. Il sera alors aisé à tous de trouver des compléments dans des livres plus spécialisés dont certains sont cités dans la bibliographie. Le premier chapitre introduit les interactions fondamentales et les particules qui per mettent de construire notre monde et d’expliquer les phénomènes qui nous entourent. Dans la recherche de l’unification des interactions, les symétries jouent un rôle impor tant car elles conduisent à des lois de conservation. Le noyau atomique concentre la presque totalité de la masse de l’atome. Le cha pitre 2 présente les propriétés du noyau qui est un système constitué de neutrons et de protons liés par une force nucléaire intense mais de courte portée dont on ne connaît pas encore l’expression exacte. Le problème principal du noyau est qu’il n’existe pas de théorie permettant de reproduire et de comprendre l’ensemble des propriétés que l’on connaît. De nombreux modèles ont été développés, basés sur des approches physiques souvent très différentes, pour reproduire une partie de la physique observée. Le chapitre 3 en présente quelques uns. Certains noyaux naturels sont instables, c’estàdire radioactifs. De nombreux autres fabriqués artificiellement le sont aussi. La radioactivité des noyaux est à la base de nombreuses applications. C’est donc un aspect important qui est abordé dans le chapitre 4 où nous présentons les principales formes d’instabilité du noyau. On ne se contente pas d’observer et d’utiliser des noyaux radioactifs. On bom barde des noyaux avec d’autres noyaux ou des particules pour induire des réactions nucléaires. On réalise ainsi, au niveau du noyau, l’équivalent des réactions chimiques au niveau de l’atome et des molécules. Le chapitre 5 donne les bases élémentaires pour aborder ce domaine complexe mais d’une incroyable richesse. Lorsque les particules ionisantes comme les électrons, les photons gammas, ou les noyaux traversent la matière, ils interagissent avec celleci. Plusieurs types d’interac tions sont possibles et le milieu traversé est perturbé. Comprendre les mécanismes et calculer leurs conséquences est important pour analyser les phénomènes et proposer des applications. C’est l’objet du chapitre 6. Les rayonnements ionisants déposent de l’énergie dans la matière qu’ils traversent. Celleci peut être vivante ou inerte mais ce dépôt d’énergie peut avoir des consé quences, aussi estil nécessaire de quantifier la dose de rayonnement reçue. La dosi métrie, objet du chapitre 7, fait le point sur ce sujet délicat en donnant les éléments de base. La radioactivité est invisible à l’œil mais ses effets ne le sont pas si la dose reçue est suffisante. L’effet des rayonnements ionisants sur les êtres vivants sera différent selon la nature du rayonnement et le tissu concerné. Ce sujet est important, puisqu’il touche à la santé. C’est la raison pour laquelle nous lui avons consacré le chapitre 8. La connaissance du noyau et l’utilisation des rayonnements ionisants ont permis de faire de nombreux progrès dans le domaine de la médecine. Ils permettent de mieux voir certains organes, grâce à l’imagerie, et de mieux soigner certaines pathologies en Dunod – Laphotocopie non autoriséeest un délit utilis nt la radioactivité. L chapitre 9 est consacré aux applications à la médecine.
XIII
Avant-propos
Une autre application importante des phénomènes nucléaires est la production d’énergie. Le chapitre 10 présente l’utilisation de la fission pour produire de la chaleur dont une partie est convertie en électricité. Aujourd’hui, l’énergie nucléaire fournit 78 % de l’électricité française sans émettre, en fonctionnement, deCO2, un gaz à effet de serre préjudiciable pour le climat. La fusion, énergie d’avenir, est aussi présentée ainsi que le principe des armes nucléaires. Le chapitre 11 aborde les autres applications des phénomènes nucléaires qui concernent de multiples domaines scientifiques mais aussi non scientifiques. L’ex trême sensibilité de détection de la radioactivité permet de faire des mesures qui sont impossibles avec les méthodes classiques. Tout ce que l’on ne voit pas fait peur ; c’est le cas de la radioactivité. Tout ce que l’on ne comprend pas inquiète. La science et la technologie peuvent être sources de bonnes comme de mauvaises choses pour l’humanité mais la plupart du temps c’est l’Homme qui en décide ainsi. On a trop souvent tendance à regarder les applications négatives en oubliant celles qui ont sauvé des vies ou accru le bienêtre de la population mondiale. Comprendre les phénomènes permet de mieux apprécier les véritables problèmes et de pouvoir objectivement évaluer les avantages, les inconvénients mais aussi les risques des solutions que l’on peut imaginer pour une application donnée.
Remerciements
Claude Le Sech a travaillé dans un première partie de sa carrière dans le domaine de la physique atomique et moléculaire, et plus spécifiquement dans le domaine des collisions des ions atomiques avec les atomes ou les molécules. Ces travaux m’ont incité à chercher à comprendre les utilisations des rayonnements ionisants en méde cine et en particulier les traitements des tumeurs irradiées par des ions atomiques. La possibilité d’utiliser les mécanismes fondamentaux de physique atomique, comme l’effet Auger, ou nucléaire, comme la radioactivité, pour proposer des applications directes dédiées à la médecine, qu’elles soient dans un but diagnostique ou thérapeu tique, est quelque chose de fascinant. Cette mutation thématique a été possible, en bonne partie, grâce à une longue collaboration fructueuse avec le Pr K. Kobayashi de la Photon Factory à Tsukuba (Japon), que je remercie ici, et avec le centre du Heavy Ion Medical Accelerator at Chiba (HIMAC). Je n’oublie pas la collaboration avec l’Institut Curie à Orsay. Je tiens aussi à remercier les personnes du Laboratoire des Collisions Atomiques et Moléculaires (LCAM) pour l’atmosphère propice à la création et à l’innovation régnant dans ce laboratoire grâce à tous ses membres. Je remercie aussi ma femme, Martine, pour son soutien constant lors de mon changement de thématique de recherche.
XIV
Avant-propos
Christian Ngô a travaillé dans de nombreux domaines de la physique et de la technologie en ayant au départ fait presque deux décennies de recherche en physique nucléaire. Cette expérience initiale s’est avérée particulièrement efficace pour aborder de nouveaux sujets. C’est pourquoi j’exprime ma gratitude aux personnes qui m’ont permis de m’engager dans cette voie. Tout d’abord le professeur Marc Lefort qui m’a accueilli et guidé à mes débuts avec compétence, dynamisme et enthousiasme ; à Jean Péter et Bernard Tamain qui m’ont aidé à faire mes premières armes dans le domaine expérimental. Merci aussi à Helmut Hofmann, de Munich, pour m’avoir initié au dur métier de théoricien. Je souhaiterais aussi remercier tous mes collègues de physique et chimie nucléaire de l’université d’Orsay, du CEA/Saclay mais aussi de laboratoires étrangers pour les échanges scientifiques nombreux que nous avons eu tout au long de ces années de recherche. Enfin je remercie mon épouse, Hélène, pour son constant soutien et pour avoir accepté que je travaille plus que de raison dans ce domaine passionnant.
Notations Les vecteurs sont notés à l’aide de caractères gras. Exemple:Aest un vecteur de composantes (Ax,AyetAz).
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